基于近场无孔径探针技术的激光纳米图案制造原理和方法研究

本项目以探索纳米尺度图案制造的新原理和新方法为目标，提出将近场无孔径探针显微技术用于表面纳米尺度图案制造。重点研究近场条件下，探针和样品表面之间由激光诱导而产生的局部物理效应的发生机理及其对样品表面的作用机制。项目同时利用光纤在径向有汇聚作用的特点，选择光纤纤芯作为聚焦元件，在近场条件下，进行材料表面图案的加工。通过综合考虑材料激光损伤阈值以及激光光斑范围内的能量分布，将光纤聚焦技术与近场光学原理相结合，实现将纳米尺度图案制造从点状扩展到线状，拓展基于近场光学原理进行纳米制造的范围。项目还将选择典型的生物学应用，考察和研究表面纳米图案对材料生物学行为的影响。通过项目研究，将提出一种新的纳米尺度图案的制造原理，并建立相应的方法。预期成果将对纳米制造的发展及其在生物技术中的应用起到重要的推动作用。

本项目以探索微纳米尺度图案制造的新原理和新方法为目标，开展了基于光纤聚焦的表面微纳米尺度图案的激光加工研究和基于激光诱导电场增强的近场无孔径探针技术研究；分别搭建了基于光纤聚焦和基于激光诱导电场增强的激光加工实验平台；利用时域有限差分（FDTD）方法对微细光纤在近场条件下的能量场以及近场无孔径探针激光诱导电场增强效应进行了模拟计算；建立了超声辅助腐蚀制备微细光纤的方法并实现了直径1～5μm微细光纤的批量制备；利用波长为1064nm的纳秒级脉冲激光进行单脉冲照射，实现了大长宽比（大于1000）微沟道的制造（宽度<2μm）；利用所制备的微细光纤作为聚焦元件，用波长为532nm的纳秒级脉冲激光照射，加工出宽度为144nm的微沟道；利用所研制的实验平台，实验研究了激光诱导微探针和样品表面电场增强行为。模拟结果和实验均证明了基于微细光纤聚焦和激光诱导电场增强突破衍射极限进行微纳制造的可行性。成果将对扩展微纳米加工技术的应用起到推动作用。